CN106544057A - 一种木屑炭高温水蒸气气化制取富氢燃气的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种木屑炭高温水蒸气气化制取富氢燃气的方法及装置。它是以木屑炭为原料，水蒸气为气化介质制取富氢燃气，主要过程包括：木屑炭螺旋进料、水蒸气发生、木屑炭气化、富氢燃气冷却。水蒸气前期由水蒸气发生器提供，系统稳定后由余热回收装置提供，反应器温度800~950℃。在适当的反应温度、水蒸气流量、原料粒径、反应时间等工艺条件下制取富氢燃气。采用此方法可得到氢气体积分数61.2%~65.8%，最大氢气产率113.5mmol/g的富氢燃气。具有燃气中氢气体积分数高，无焦油产生，气化装置结构简单等优点，富氢燃气可应用于制备高纯度氢气、合成天然气和液体燃料甲醇、二甲醚等用途。

Description

一种木屑炭高温水蒸气气化制取富氢燃气的方法及装置
技术领域
本发明涉及生物质气化技术，特别涉及一种木屑炭高温水蒸气气化制取富氢燃气的方法及装置。
背景技术
化石能源逐渐枯竭和温室气体带来的环境问题日益严重，迫切的需要寻找新型清洁能源替代现有化石燃料的使用。在众多新能源中，氢能作为一种洁净、高效能源为最有效的形式之一。目前，96％氢气来自于化石燃料，其中，甲烷水蒸气重整占48％，30％来自于重油和石脑油，煤气化占18％，4％来自于电解水。化石燃料制氢最主要缺点会产生氮硫气体和温室气体，对环境造成污染，且过程会消耗大量不可再生能源。
可再生生物质气化制氢受到日益关注，反应过程生成CO2与生物质生长吸收的CO2达到平衡，可实现CO2“零排放”。生物质气化技术主要在气化剂如空气、氧气、水蒸气、空气-水蒸气、氧气-水蒸气下气化制得富含氢气的合成气，合成气可用于供热、发电、合成液体燃料甲醇、二甲醚、制备高纯氢等。其中廉价的空气为最常用气化剂，但空气中存在大量N2，会稀释合成气，降低产品气热值，氧气作为气化剂虽能较好的提升合成气品质，但其价格昂贵成为其大规模应用的阻碍，水蒸气的存在可有效促进水气转换反应，提升氢气的含量，因此，很多研究都选用水蒸气作为制取富氢燃气的气化剂，但生物质水蒸气气化过程会有大量焦油产生，为除去焦油得到无杂质合成气，气化过程通常包括：气化、粗合成气和焦油重整、杂质净化、分离和提纯，工艺过程复杂，能耗较高，制氢成本高，且焦油冷凝会产生管道堵塞问题。一些研究虽然通过加入催化剂促进粗合成气和焦油重整，但此工艺中催化剂存在烧结、硫中毒和积碳失活问题，对催化剂的活性、稳定性和寿命有较高的要求，且催化剂的加入一定程度上加大了制氢成本。
发明内容
解决的技术问题：本发明的目的是提供一种木屑炭高温水蒸气气化制取富氢燃气的方法及装置，以木屑炭为原料能有效解决传统生物质制氢过程中焦油带来的问题，大大简化制氢工艺流程，降低制氢成本。
技术方案：以木屑炭为原料，在气化炉中气化制取富氢燃气，气化介质为水蒸气，水蒸气由蒸气发生器产生从下部进入气化炉，在800～950℃炉温下发生水蒸气气化反应，反应所得气体经旋风分离器进行气固分离，过热富氢燃气再通过余热回收装置回收热量用于水蒸气的产生作气化剂，最后由冷凝冷却装置除去富氢燃气中的水分，得到富氢燃气，所得富氢燃气中氢气体积分数为61.2％～65.8％，最大氢气产率为113.5mmol/g。
所述木屑炭来自气化副产物木屑炭，木屑炭固定碳含量为84.1％，挥发分含量9.66％，灰分含量6.24％。
所述木屑炭高温水蒸气气化制取富氢燃气装置包括：螺旋进料装置、气化反应装置、气固分离装置、余热回收装置、冷凝冷却装置、水蒸气发生装置。
气化反应装置下端连接螺旋进料装置和水蒸气发生装置，上端出口与气固分离装置入口相连，气固分离装置出口与余热回收装置、冷凝冷却装置依次串联。所述水蒸气前期由水蒸气发生器提供，气化反应稳定后由余热回收装置提供热量加热水得到气化水蒸气，水蒸气通过蒸气流量计进行计量和控制调节。
有益效果：(1)固体炭主要用于制备活性炭、工业燃料或民用燃料等，以木屑炭为原料制备富氢燃气可拓宽固体炭的用途。
(2)木屑炭中挥发分含量低，水蒸气气化后无焦油产生，因此，气化装置中无需焦油重整装置、净化和分离装置，有效简化工艺流程，节约制氢成本。
(3)气化过程不使用任何催化剂，避免由于使用催化剂带来的复杂性及催化剂使用和再生问题，反应装置简单易于维护。
(4)木屑炭中固定碳含量高，发生主反应为碳和水蒸气反应、水气转换反应，两个反应都能产生氢气，可极大的提升氢气的产量。
(5)富氢燃气中烃类化合物(甲烷和乙炔)含量小于2％，主要以H2、CO、CO2为主，其中H2+CO含量最大可达79.4％，而CO2为易分离气体，可通过后期分离得到以H2和CO为主的富氢燃气，CO可在催化剂下进一步发生水气转化反应，有望得到高纯氢，应用于燃料电池等领域。
(6)反应过程可以通过温度和水蒸气的改变可调控H2/CO值，进而可应用富氢燃制备合成天然气和液体燃料甲醇、二甲醚等领域。
附图说明
图1为制取富氢燃气工艺流程图
图2为木屑炭高温水蒸气气化制取富氢燃气的装置示意图
其中有：1、料仓及螺旋加料装置 2、水蒸气发生器 3、气化炉 4、旋风分离器 5、余热回收装置 6、冷凝冷却装置 7、燃气流量计 8、燃气缓冲罐
具体实施方式
为了更好的验证本发明实际应用效果，下面结合具体实例来进一步说明。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
下面结合附图对本发明进一步说明：
如图1，为制取富氢燃气流程图，包括螺旋进料装置a，气化反应装置b、气固分离装置c、余热回收装置d、冷凝冷却装置e、水蒸气发生装置f。本发明过程中无焦油、硫化物、氮化物等杂质产生，气化出来富氢燃气可直接冷凝冷却，且无需担心焦油冷凝带来的管道堵塞问题，大大简化了制取富氢燃气流程。
本发明的木屑炭高温水蒸气气化制取富氢燃气的装置如图2，以气化炉3为核心，气化炉3可通过程序升温、控温达到预设温度，反应区中部有热电偶检测实时温度，温度控制范围0～1200℃。气化炉3下端连接螺旋加料装置1和水蒸气发生器2，气化反应所需水蒸气前期由水蒸气发生器提供，气化反应稳定后通过余热回收装置5加热水得到过热蒸气做为气化剂，水蒸气由蒸气流量计计量。气化炉3上端出口连接旋风分离器4，用于气固分离，旋风分离器4出口和余热回收装置5、冷凝冷却装置6依次串连，从旋风分离器4出来的过热富氢燃气可用于加热水得到气化反应所需水蒸气，再通过冷凝冷却装置6进一步冷却气体,，冷凝所得液体水可回收利用。
装置运行时，先通过气化炉3升温至预设温度，开启水蒸气发生器2，待管路中充满水蒸气后，启动螺旋加料装置1将原料加入气化炉中，反应所得富氢燃气由旋风分离器4除去固体成分，再通过余热回收装置5加热水得到过热蒸气提供气化反应所需水蒸气，最后通过冷凝冷却装置6，冷却并回收利用冷凝水。实验条件下可得氢气含量在61.2％～65.8％以上的富氢燃气。
实施例1：以小于0.56mm木屑炭为原料，实验开始前，检查系统连接，用氮气吹扫检查系统气密性。实验开始，首先设定10℃/min的升温速率将气化炉温度升至850℃，开启水蒸气发生装置，稳定输出反应水蒸气所需要的流量。系统稳定后，将开启螺旋加料装置，输送木屑炭至气化炉，气化反应稳定关闭蒸气发生器，由余热回收装置提供反应所需水蒸气。
在气化炉炉中发生的主反应如下：
C+H2O→CO+H2
CO+H2O→CO2+H2
C+CO2→2CO
三个反应均为吸热反应，随着温度的升高有利于H2的产出。
富氢燃气经冷凝系统除去可凝成分后，由燃气流量计计量体积，富氢燃气组分由岛津GC-2014气相色谱仪确定。实验结果见表1
实施例2：气化反应温度为900℃，实施过程同实施例1，实验结果见表1。
表1木屑炭在850℃和900℃下水蒸气气化结果

Claims (4)

1.一种木屑炭高温水蒸气气化制取富氢燃气的方法，其特征在于，以木屑炭为原料，在气化炉中气化制取富氢燃气，气化介质为水蒸气，水蒸气由蒸气发生器产生从下部进入气化炉，在800~950℃炉温下发生水蒸气气化反应，反应所得气体经旋风分离器进行气固分离，过热富氢燃气再通过余热回收装置回收热量用于水蒸气的产生，最后由冷凝冷却装置除去富氢燃气中的水分并冷却气体，得到富氢燃气，所得富氢燃气中氢气体积分数为61.2%~65.8%，最大氢气产率为113.5mmol/g。
2.根据权利要求1所述木屑炭高温水蒸气气化制取富氢燃气的方法，其特征在于，所述木屑炭来自气化副产物木屑炭，木屑炭固定碳含量为84.1%，挥发分含量9.66%，灰分含量6.24%。
3.木屑炭高温水蒸气气化制取富氢燃气的装置，其特征在于，主要包括：螺旋进料装置a、气化反应装置b、气固分离装置c、余热回收装置d、冷凝冷却装置e、水蒸气发生装置f；气化反应装置b下端连接螺旋进料装置a和水蒸气发生装置f，上端出口与气固分离装置c入口相连，气固分离装置c出口与余热回收装置d、冷凝冷却装置e依次串联。
4.根据权利要求3所述木屑炭高温水蒸气气化制取富氢燃气的装置，其特征在于，所述水蒸气前期由水蒸气发生器提供，气化反应稳定后由余热回收装置提供热量加热水得到气化水蒸气，水蒸气流量通过蒸气流量计进行计量和控制调节。
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